（控制理论与控制工程专业论文）新型干法水泥生产预热器分解率的软测量研究.pdf

厂 r 一一 r e s e a r c ho ns o f ts e n s o rf o rt h eca l c i n a t i o nr a t eo f p r e h e a t e ri nnspce m e n tp r o d u c t i o n b y x ux u e c h u a n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f y u a nz h u g a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo f j i n a n 。 i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 1 jjjj_iiiiii删7，兰三3删8 删8iiii-y 厂 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：经誊丝 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：经羔丝导师签名： 济南人学硕 学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论l 1 1 水泥行业的发展概况1 1 2 预热器分解率测量方法研究现状及存在问题2 1 3 软测量技术的发展3 1 4 本文主要工作5 1 4 1 课题来源5 1 4 2 本文主要内容5 1 5 本章小结6 第二章预热器模型输入的选择与数据预处理7 2 1 预测模型的数学描述7 2 2 建立预测模型的基本实施步骤7 2 3 预热器模型输入变量的选择9 2 3 1 新型干法水泥生产工艺9 2 3 2 预热器预测模型输入变量的选择1 1 2 4 模型参数样本数据的预处理1 4 2 4 1 原始数据过失误差的剔除1 5 2 4 2 样本数据标准化1 7 2 5 本章小结1 7 第三章模型建立方法的研究1 9 3 1 机理建模，1 9 3 2 经验建模2 0 3 2 1 回归分析法2 0 3 2 2 状态估计法2 1 3 2 3 模式识别法2 1 3 2 4 模糊数学法2 2 3 2 5 支持向量机法2 2 l 新璎干法水泥牛产预热器分解率的软测量研究 3 3b p 神经网络建模2 3 3 4l s s v m 回归建模2 5 3 4 1 统计学习理论2 5 3 4 2 支持向量机回归算法2 9 3 4 3 最小二乘支持向量机回归算法3 1 3 5 本章小结3 5 第四章预热器各级参数预测模型的建立3 7 4 1c 3 级预热器压力、温度预测模型的建立3 7 4 1 1 基于l s s v m 对c 3 出口压力进行建模3 7 4 1 2 基于l s s v m 对c 3 出口温度进行建模4 6 4 2c 4 级预热器压力、温度预测模型的建立4 9 4 2 1c 4 级预热器出口压力预测模型的建立4 9 4 2 2c 4 级预热器出口温度模型的建立5 0 4 3 本章小结5 2 第五章预热器分解率的软测量5 3 5 1 软测量技术概述5 3 5 2 影响碳酸钙分解的因素5 4 5 2 1 预热器中碳酸盐的分解反应特性5 4 5 2 2 碳酸钙的分解机理5 5 5 2 3 碳酸钙分解与二氧化碳分压的关系5 5 5 3 窑尾分解炉的分解率随外界因素的变化规则5 7 5 4 预热器分解率的软测量策略5 8 5 5 本章小结5 9 第六章预热器分解率软测量的实现及应用6 1 6 1 软测量程序框架6 1 6 1 1d c s 控制系统设计及实现6 1 6 1 2o p c 接口技术的实现6 3 6 1 3s q ls e r v e r 的访问6 4 6 2 在线数据预处理方法6 4 6 3 预热器分解率软测量的软件开发及现场应用6 5 l i 二、在校期问参加的项目7 7 i i i 济南大学硕 学位论文 摘要 新型干法水泥生产以悬浮预热器和窑外分解为核心，采用生料均化、燃料均化、 窑外预热与分解和节能粉磨技术及装备，基于计算机集散控制，实现水泥生产过程的 自动化、高效、优质、环保、低耗等。窑外分解技术是为了减轻回转窑内烧成带的热 负荷，从而提高窑系统生产效率，将水泥生料粉的预热和绝大部分生料的分解过程置 于窑外的预热器和分解炉中进行的技术。所以窑尾预热器分解率的高低及其变化规律 成为控制分解炉及回转窑的重要参考量之一。 目前还没有预热器分解率在线测量的方法，通常采用人工取样、化学分析等手段 离线检测分解炉出口的分解率，而离线分析获得的测量结果相对于实时控制具有很大 的滞后性，降低了对分解炉和回转窑控制的参考价值。实现预热器分解率的高低及变 化情况的软测量，可以提前得到下一时段窑尾生料预热的状况，及时为分解炉及回转 窑的优化控制提供必要的信息。因此，实现预热器分解率的实时在线软测量具有重要 意义。 。 当前水泥生产企业没有检测预热器分解率的具体措施，致使无法利用历史数据直 接建立模型对预热器分解率进行预测，也缺乏相应的预测检验途径。通过深入分析研 究分解炉与预热器的工作机理发现，预热器出口物料分解率与分解炉出口物料分解率 具有相同的变化规律，且主要取决于其内部的温度和压力，更为重要的是分解炉出口 的物料分解率能够通过人工检测而获得。本文通过分解炉温度、压力与分解率的数据 分析，结合现场工人的操作经验，建立了分解炉出口物料分解率与炉内温度及压力的 关系规则，从而类比得到了预热器的相应关系规则。依据该关系规则，结合建立的各 预热器温度、压力预测模型，实现了预热器分解率高低及变化趋势的软测量。 结合新型干法水泥生产窑尾预热系统工艺特点，对预热系统的几个重要参数进行 预测建模，主要包括预热器c 3 、c 4 各级温度和压力等参数。由于窑尾预热系统具有 非线性、大时滞、强耦合、多变量、时变等特性，难以建立预热过程的数学模型。本 文遵循由简单到复杂的建模原则，采用多输入单输出的建模方法对预测变量进行逐一 建模。通过相关分析法选取模型输入变量，采用平均最小距离聚类算法对原始数据进 行预处理，分别采用最小二乘支持向量机和b p 神经网络建立了各级预热器温度、压 v 新型干法水泥生产预热器分解率的软测帚研究 力的预测模型；通过两类模型预测误差的对比，发现最小二乘支持向量机建立的模型 预测误差小、训练时间短，故选用最, j 、- - 乘支持向量机方法建立的模型用于预热器分 解率的软测量。 分析生料分解受温度、压力影响的机理，结合离线检测得到的分解炉分解率的历 史数据，结合现场操作人员的经验，建立了分解炉分解率随温度、压力的变化规律关 系表，此即预热器出口物料分解率与其内部温度、压力的变化规律关系表。采用预热 器参数预测模型预测出各级的温度、压力，结合生料分解率的变化规律，从而得出预 热器分解率的高低及变化趋势，实现了预热器分解率的软测量。 本文以a b b 公司的f r e e l a n c e 2 0 0 0 集散控制系统为例，给出了以o p c 接口及s q l s e r v e r 数据库技术为基础的新型干法水泥预热器分解率的软测量实现方案。用v c + + 6 0 开发预热器分解率变化规律的软测量界面，并将其用于新型干法水泥生产现场， 取得了较好的效果。 ： 关键词：窑外分解；分解率；软测量；预测模型；最小二乘支持向量机； v l p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f t h ek i l ns y s t e m t h e r e f o r e ，t h ec a l c i n a t i o nr a t eo fp r e h e a t e ra n di t s v a r i a t i o nb e c o m et h eo n eo ft h ei m p o r t a n tt a r g e tf o rc o n t r o l l i n gt h ec a l c i n e ra n dk i l n c u r r e n t l y , t h e r ei sn om e a s u r e m e n tm e t h o dt od e t e c tt h ec a l c i n a t i o nr a t eo fp r e h e a t e r , t h ec a l c i n a t i o nr a t eo fc a l c i n e rc a nb ed e t e c t e do f f - l i n eb ys a m p l i n ga n dc h e m i c a la n a l y s i s ， b u ti th a sg r e a tl a gr e l a t et or e a l t i m ec o n t r o l ，s ot h er e f e r e n c ev a l u eo nc o n t r o l l i n gt h e c a l c i n e ra n dk i l ni sd e c r e a s i n g t h es o f ts e n s o ro ft h ec a l c i n a t i o nr a t eo fp r e h e a t e rc a n o b t a i n et h es i t u a t i o no fp r e h e a t i n gi na d v a n c ea n dp r o v i d et h en e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o r c a l c i n e ra n dk i l ni nt i m e t h e r e f o r e ，t h ea c h i e v e m e n to ft h ec a l c i n a t i o nr a t eo fp r e h e a t e r h a sag r e a ts i g n i f i c a n c e c e m e n tp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e sh a sn os p e c i f i cm e a s u r et od e t e c tt h ec a l c i n a t i o nr a t eo f p r e h e a t e rc u r r e n t l y ，i tc a u s e st h a tc a n n o tu s eh i s t o r i c a ld a t ad i r e c t l yt ob u i l dt h em o d e lf o r p r e d i c t i n gt h ep r e h e a t e rd e c o m p o s i t i o nr a t e ，a l s ol a c kt h ec o r r e s p o n d i n g f o r e c a s ti n s p e c t i o n w a y t h ec a l c i n a t i o nr a t eo fp r e h e a t e ra n dc a l c i n e rh a st h es a m ev a r i a t i o nt h r o u g hi n - d e p t h a n a l y s i so ft h ew o r k i n gm e c h a n i s m ，a n dm a i n l yd e p e n d so ni t si n t e r n a lt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r e ，m o r ei m p o r t a n t l y ，t h ec a l c i n a t i o nr a t eo fc a l c i n e rc a nb eo b t a i n e dt h r o u g hm a n u a l i n s p e c t i o n t h i sp a p e rb u i l d t h er e l a t i o n s h i p - r u l e so ft h ec a l c i n a t i o nr a t eo fc a l c i n e r , t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eb ya n a l y s i sd a t aa n de x p e r i e n c ec o m b i n e dw i t ho n 。s i t ew o r k e r s w h i c hc a nc a t e g o r yt h ec o r r e s p o n d i n gr u l e sa b o u tp r e h e a t e r a c c o r d i n gt ot h er u l e so ft h e l 新犁干法水泥生产预热器分解牢的软测嚣研究 p r e h e a t e ra n df o r e c a s t i n gm o d e l ，w ec a na c h i e v et h es o f ts e n s o ro ft h ec a l c i n a t i o nr a t eo f p r e h e a t e rc a l c i n e r t h i sp a p e rb u i l d st h em o d e lo fs e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h et e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r ei nt h el e v e lo fc 3 ，c 4p r e h e a t e rc o m b i n ew i t ht h e p r o d u c t i o np r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c so fp r e h e a t i n gs y s t e m si nn s p b e c a u s et h ep r e h e a t e ri s s t r o n gc o u p l i n g , g r e a td e l a y ，n o n l i n e a r , m u l t i f a c t o r sa n dt i m e - v a r y i n g , i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s he x a c t m a t h e m a t i c a lm o d e l i tu s et h em e t h o do fm o r e i n p u ta n do n eo u t p u tt ob u i l dt h em o d e l i n g o fp r e d i c t i o nv a r i a b l e so n eb yo n e ，f r o ms i m p l et oc o m p l e xm o d e l i n gp r i n c i p l e s ，t h i s p a p e rm o d e l st h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eb a s i n go nl e a s ts q u a r e s s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ( l s - s v m ) a n db pn e u r a ln e t w o r kw h i c hs e l e c tt h ea u x i l i a r yv a r i a b l e sb y c o r r e l a t i o na n a l y s i sa n dp r e p r o c e s st h eo r i g i n a ld a t ab ym e a nm i n i m u m d i s t a n c e ( m m d ) ， t h er e s u l t so ft h ec o m p a r i s o no ft w oe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em o d e l b a s i n go nl s s v m h a sf a v o r a b l el e a r n i n g a b i l i t y ，g e n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c e ，a n ds a t i s f a c t o r yp r e d i c t i o n a c c u r a c y t h e r e f o r e ，w ec h o o s et h el s s v mt ob u i l dt h em o d e lo ft h e 。c a l c i n a t i o nr a t eo f p r e h e a t e r a n a l y s i st h em e c h a n i s mo fr a wm a t e r i a l ，w ee s t a b l i s ht h ev a r i a t i o nr e l a t i o n a lt a b l eo f t h ec a l c i n a t i o nr a t eo fc a l c i n e rw i t ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e , c o m b i n e dh i s t o r i c a ld a t ao f t t h ec a l c i n a t i o nr a t eo fc a l c i n e rb yo f f - l i n ed e t e c t i o na n dt h ee x p e r i e n c eo ft h ef i e l d o p e r a t i o n s ，a n dt h i st a b l ea l s oa p p l i e st ot h ep r e h e a t e r w ec a na c h i e v et h es o f ts e n s o ro f t h ec a l c i n a t i o nr a t eo f p r e h e a t e rc o m b i n ew i t ht h i st a b l ea n dt h ep a r a m e t e r sp r e d i c t e d i nt h i sp a p e r ，w et a k ea b b sf r e e l a n c e2 0 0 0d c ss y s t e ma sa ne x a m p l e , a n dg i v e s n s pc e m e n tp r e h e a t e rd e c o m p o s i t i o nr a t eo fs o f tm e a s u r e m e n ts c h e m e b a s i n go nt h eo p c i n t e r f a c ea n ds q ls e r v e rw i t hd a t a b a s et e c h n o l o g y u s i n gv c h - 6 0t od e v e l o pt h es o f t m e a s u r e m e n ti n t e r f a c eo ft h ec a l c i n a t i o nr a t eo fp r e h e a t e r , a n dh a v eb e e na p p l i e dt ot h e n s pc e m e n tp r o d u c t i o ns i t e ，o b t a i n i n ga g o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：c a l c i n a t i o n so u to f k i l n ；c a l c i n a t i o nr a t e ；s o f ts e n s o r ；p r e d i c t i o nm o d e l ； l s s v m 济南人学硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 水泥行业的发展概况 目前，水泥是一种重要的新型建筑材料，随着现代化工业的发展，它在国民 经济中的地位日益提高，应用也日益广泛。新型水泥已广泛应用于道路建筑、民 用建筑、工业建筑、农田水利建设和军事工程等方面。作为国民经济的重要基础 产业，水泥工业已经成为衡量国民经济社会发展水平和综合实力高低的一个重要 标志【。 自2 0 世纪5 0 年代开始，世界水泥产量一直保持着持续稳定的增长。2 0 0 0 年全球水泥产量以3 2 的速度持续增长，而水泥消费量在1 6 2 亿吨，2 0 0 1 年全 球水泥产量平均消费增长继续在3 3 左右，总量达到1 6 7 亿吨。2 0 0 2 年，世界 水泥总产量的平均增长态势继续保持在3 - - 3 5 这一水平。我国是水泥生产大 国，自从改革开放以来，中国工业的迅速发展为水泥行业的发展开辟了广阔道路， 给了水泥行业的发展极大的空间，中国工业发展的持续性也使得水泥行业一直处 于高速发展的状态。1 9 8 0 年，中国的水泥总产量为7 9 8 6 万吨，从1 9 8 5 年开始， 中国水泥年产量持续居世界首位【2 1 。中国国家统计局统计显示：2 0 0 8 年平均规模 以上的水泥企业全年水泥产量1 3 8 8 亿吨，同比去年增长5 2 。2 0 1 0 年我国水 泥产量总计1 8 6 8 亿吨，增速1 5 5 3 。中国已经连续2 5 年，水泥总产量稳居世 界第一【3 1 。 在政府政策和市场需要的推动下，中国水泥业在未来两年的整合将加速。行 业政策限制新产能增量并推动行业整合。政府的目标是通过跨省收购将十大水泥 生产商的总体市场份额从目前的2 8 提升到至2 0 1 5 年的4 5 以上。在2 0 1 0 年， 政府和相关管理部门相继出台了一系列法规和政策，以监控水泥业新进入的企业 和产能增量。2 0 1 0 年第三季度，一些地方水泥生产商已经被迫关闭，从而减少 了区域市场，尤其是东部省份的过剩产能。中国水泥协会预计，2 0 1 1 年水泥的 总需求和产能将分别同比上涨9 和5 ，导致3 0 0 0 万吨的求供差异。需求和供 新型干法水泥乍产预热器分解牢的软测量研究 应条件的改善将增强龙头水泥企业的市场地位和定价能力。前十大水泥生产商的 市场份额将从2 0 0 9 年的2 4 升至2 0 1 5 年的4 5 。未来两年的行业整合将主要 通过跨地区并购来完成 4 1 。预计2 0 1 2 年排名前十大的水泥制造商表1 1 所示。 表1 1 预计2 0 1 2 年排名前十大的水泥制造商产能 水泥制造商年产能( 百万吨) 中国建筑材料总公司 3 0 0 安徽海螺水泥股份有限公司 2 0 0 中材水泥1 0 0 冀东水泥集团 8 0 华润水泥控股有限公司 8 0 山水水泥 6 0 华新水泥股份有限公司 5 0 金隅水泥5 0 台泥水泥 4 5 天瑞水泥 3 0 产能总计9 9 5 市场份额总计 4 5 然而，水泥生产行业是典型的高耗能、污染级别高的产业，其能源消耗占全 国总能源消耗的7 ，更加突显出能源利用效率偏低的这一状况。水泥产业的结 构及行业性质决定了国家对水泥行业出台一系列针对措施，比如节能减排、倡议 环保、拉闸限电等，而政策的出台对传统水泥行业的持续发展具有严峻的挑战【5 】。 因此，我国水泥工业在充满发展机遇的同时，也面临严峻挑战。所以改进水 泥生产方式、提高水泥生产自动化水平是我国水泥行业发展的必由之路。 1 2 预热器分解率测量方法研究现状及存在问题 当前，水泥工业主要是基于新型干法水泥生产方式而采用一些先进控制策略 为主导而进行的现代化行业，而其核心技术之一就是窑外分解技术【6 1 。窑外分解 技术是在旋风悬浮预热器和回转窑之间增加了一个新热源分解炉，分解炉主 2 要目的就是为了提高生料在预热系统中的分解率，而预热器分解率就是指生料经 过窑尾预热器及预热器问的烟室通道后，分解成氧化物的碳酸钙占总碳酸钙的百 分比( 少量碳酸镁的分解不作考虑) 7 1 。窑尾预热器使燃料燃烧与生料分解同时 在悬浮状态下紧密配合、极其迅速的进行，从而使生料在进入分解炉和窑内前进 行部分分解，减轻了回转窑内烧成带的热负荷，大幅度提高了回转窑烧成系统的 生产效率，所以窑尾预热器分解率的高低及其变化规律成为控制分解炉及回转窑 的重要参考指标之一。 目前还没有预热器分解率在线测量的方法，通常采用人工取样、化学分析等 手段离线检测分解炉出口的分解率，而离线分析获得的测量结果相对于实时控制 具有很大的滞后性，降低了对分解炉和回转窑控制的参考价值嘲。实现预热器分 解率的高低及变化情况的软测量，可以提前得到下一时段窑尾生料预热的状况， 及时为分解炉及回转窑的优化控制提供必要的信息。当前水泥生产企业没有检测 预热器分解率的具体措施，致使无法利用历史数据直接建立模型对预热器分解率 进行预测，也缺乏相应的预测检验途径。 1 3 软测量技术的发展 到目前为止，在实际工业生产过程中，因为现代技术或经济原因，还存在着 许多无法通过传感器或测量仪表直接进行测量的过程变量，如精馏塔的产品组成 浓度、炼铁高炉窑炉的火焰温度、生物发酵罐的菌体浓度、高炉铁水中的含硅量 和化学反应器中反应物浓度、转化率、催化剂活性、新型干法水泥生产窑尾预热 器及分解炉中生料分解率、水泥烧成系统游离氧化钙等。 传统的解决方法有两种：一是采用间接的质量指标控制，如精馏塔灵敏板温 度控制、温差控制等，但是采用这种方法存在的问题是难以保证最终质量指标的 控制精度：二是采用在线分析仪表控制，但设备投资大、维护成本高、还存在较 大的滞后性，影响调节效果。在传统解决方法发展受到极大限制时，加速了软测 量技术的飞快发展。 软测量技术也称为软仪表技术( s o f t s e n s i n gt e c h n i q u e ) ，是以计算机软件来 代替传统的硬件传感器，对一些难以测量或暂时不能测量的变量采用间接的方式 气 新型。二法水泥生产预热器分解率的软测军：研究 进行估计的一种新兴的工业技术。随着控制理论和计算机技术的发展，其研究经 历了从静态到动态、线性到非线性、无校正功能到具有校正功能的一个过程，软 测量的发展已经成为过程检测与仪表研究的方向之一【9 _ 1 0 l 。 目前，国内外对软测量技术的研究与应用不断推陈出新，软测量技术已经广 泛应用于过程工业的生产中，主要应用于石化、聚合、食品、造纸、纺织、医药、 精细化工、炼油、半导体、采矿及微电子等行业】。文献 1 2 】针对火力发电过程 中，烟气含氧量、飞灰含碳量等热工参数难以准确在线时时测量，通过软测量建 模方法和二次变量的选取，间接实时测量所需的热工参数。文献 1 3 针对丁二烯 生产装置精馏塔的塔顶控制回路不能实时测量，采用软测量技术将先进控制方案 的应用，间接测量了塔顶控制回路所不能测量的丁二烯的纯度。文献 1 4 1 主要介 绍了软测量技术在石油化工行业中的应用，从软测量的建模原理出发，采用多元 线性回归及神经网络建模方法，介绍了软测量在加氢裂化分馏塔、延迟焦化装置、 催化裂化分馏塔、乙烯装置裂解炉中的应用。文献 1 5 】介绍了软测量技术的研究 与应用现状，并分析了软测量两种建模方法在不同领域的应用，最后给出了b p 神经网络的软测量模型及其具体的算法。文献 1 6 1 通过讨论现场总线控制系统的 总体结构，阐述了软测量技术在现场总线系统的应用，并将软测量的建模应用到 现场总线中取得了良好的结果。文献【1 7 】论述基于软测量技术对窑炉的火焰温度 进行测量和对温度的预测，解决了高炉炼铁过程中高炉温度在线测量难而且存在 严重滞后的问题，使得对窑炉温度的监控具有数据支持性，不仅仅只依靠现场工 作人员的感观经验来进行判断处理。文献 1 8 】针对新型干法水泥熟料质量指标的 测量，通过最d , - 乘支持向量机进行软测量建模，并采用了模糊聚类的方法对原 始数据进行预处理，选用径向基核函数进行软测量建模，最后应用到水泥熟料生 产现场取得了良好的结果。文献 1 9 1 研究了基于最小二乘支持向量机的软测量建 模方法，并采用交叉验证的方法对支持向量机的参数进行选择，最后将最小二乘 支持向量机应用于到轻柴油凝固点预估，并建立了该预估系统的软测量模型。文 献e 2 0 介绍了现在存在的对丁二烯精馏塔一些参数存的难以在线测量，结果延迟 的问题，采用软测量对难测量的参数进行在线估计，在解决间接测量的同时，还 4 济南人学硕卜学位论文 皇曼曼曼i i i i 一一； ；i i ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪! 曼曼曼 减少了传统测量所需的硬件成本等。文献【2 1 】从径向基神经网络的特点出发，提 出了一种通用的建立神经网络软测量模型的方法，并应用到间歇制浆蒸煮过程中 取得良好的效果，结果表明，分布式r b f 神经网络在建立软测量模型时不需要 加入人为干预的优点。文献 2 2 】研究了神经网络的建模的一些常用预测方法，并 介绍了神经网络在软测量建模中的应用。由此可见软测量技术已成为当今过程控 制检测领域的一大研究热点和主要发展趋势之一。 1 4 本文主要工作 1 4 1 课题来源 本论文研究课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 计划项目“新型干法 水泥生产过程集成控制应用( 2 0 0 6 a a 0 4 2 18 5 ) ”的子课题“软测量、单元级 优化控制系统设计开发及工程应用”，山东省自然科学基金项目“新型干法水泥 生产过程工况识别方法研究( z r 2 0 1 0 f m 0 3 5 ) ，结合新型干法预分解窑水泥生 产工艺要求，对新型干法水泥生产预热器分解率的软测量进行研究。 1 4 2 本文主要内容 本文针对窑尾预热器分解率难以在线测量，并难以通过预热器分解率历史数 据进行检验这一问题，通过深入分析研究分解炉与预热器的工作机理发现，预热 器出口物料分解率与分解炉出口物料分解率具有相同的变化规律，且主要取决于 其内部的温度和压力，更为重要的是分解炉出口的物料分解率能够通过人工检测 而获得。通过分解炉温度、压力与分解率的数据分析，结合现场工人的操作经验， 建立了分解炉出口物料分解率与炉内温度及压力的关系规则，从而类比得到了预 热器的相应关系规则。结合新型干法水泥生产窑尾预热系统工艺特点，对预热系 统的几个重要参数进行预测建模，主要包括预热器c 3 、c a 各级温度和压力等参 数。由于窑尾预热系统具有非线性、大时滞、强耦合、多变量、时变等特性，难 以建立预热过程的数学模型。通过相关分析法选取预热器模型的模型输入变量， 采用平均最小距离聚类算法对原始数据进行预处理。遵循由简单到复杂的建模原 5 新犁干法水泥牛产预热器分解牢的软测量研究 则，采用多输入单输出的建模方法对预测变量进行逐一建模，结合所建立的预热 器分解率与炉内温度、压力的关系规则表，实现了预热器分解率高低及变化趋势 的软测量，其整体思路如图1 1 所示。最后，给出了以o p c 接口及s q ls e r v e r 数据库技术为基础的新型干法水泥预热器分解率的软测量实现方案，用v c + + 6 0 开发了预热器分解率变化规律的软测量软件，并将其用于新型干法水泥生产 现场。 d c s 采集数据 妙 | 分解炉 数据预处理 i历史 k 够p 、 炙测预热器各级温 预热器 度、压力变化 圈f 秒弋 园 夕 预测预热器分解率变化趋势 1 5 本章小结 图1 1 预热器分解率软测量整体思路 本章首先分析了水泥行业的发展现状，并对未来几年水泥产业的发展趋势进 行分析，阐述了自动化水平对现代水泥发展的重要性，在研究了预热器分解率变 化规律作为回转窑和分解炉控制参数的基础上，指出了研究新型干法水泥生产预 热器分解率软测量的必要性。最后结合课题来源和课题研究的整体思路，将预热 器分解率的软测量应用于某厂熟料生产线实际情况。 6 济南大学硕 学位论文 第二章预热器模型输入的选择与数据预处理 2 1 预测模型的数学描述 建立模型的目的是利用所能获取的信息资料来对模型输出变量进行最佳估 计，即构造从可测信息集0 到多的映射。可测信息集通常包括所有的可测主导变 量y ( y 可能部分可测) 、控制变量、辅助变量矽、可测扰动d 。模型函数关系 式可表示如下： 多= f ( d ，9 ) ( 2 1 ) 其中f c x ) 为估计函数的映射关系，即所要建立的预测模型。如果实际生产或工况 处于平稳状态时，上述模型可以简化为如下稳态模型： “= k o (22y ) 2 l ， 在这种稳态下，预测模型的性能主要取决于模型输入的选取、扰动和噪声的特性、 过程的描述以及最优准则等。 2 2 建立预测模型的基本实施步骤 建立预测模型是根据某种最优化准则，选择一组跟被估计变量( 通常称为模 型输出变量) 相关联的变量( 通常称为模型输入变量) ，建立以所选择的模型输 入为输入，被估计变量的最优估计为输出的数学模型。在模型的应用中，虽然预 测模型具有核心地位，但其他辅助过程环节的设计和应用也是极其重要的，因此 预测模型的设计应遵循一定的设计规律。预测模型的设计步骤，主要包括工艺的 机理分析、模型输入变量的选择，数据采集和数据预处理，预测建模，设计校正 模块，预测模型评价、模型维护等2 3 1 。 ( 1 ) 预测模型输入变量的选择模型的主要步骤是建立模型输出变量与模型 输入变量的关系。模型输入变量的选择我们通常从变量类型、变量数目、测点位 置三方面来考虑，这三个方面相互关联，共同决定了模型输入变量选择的准确性、 适用性，是预测建模成功与否的一个重要方面。而预测模型输入变量的选择必须 7 新犁千法水泥生产预热器分解率的软测帚研究 遵从一定的准则才能有效地反映模型输入变量与模型输出变量的关系，通常从过 程适用性、灵敏性、准确性、鲁棒性、特异性五个方面来考虑。通过过程中的自 由度来确定模型输入变量的个数，在实际应用过程中，通常结合实际过程的特点 适当增加模型输入变量的个数，以便更好的反映出各变量间的动态特性。 ( 2 ) 数据采集和预处理参数的预测模型是通过过程数据经过数值计算而实 现的，其性能在很大程度上决定了模型的准确性和有效性，然而在实际应用中， 过程数据是来自现场测量的，受测量仪表精度、稳定性和现场测量环境的温度、 湿度等因素的影响，不可避免地产生各种各样的测量误差，如果采用精度较低或 失效的测量数据有可能导致所建立模型测量性能的大幅度下降，严重时甚至导致 建模的失败，所以要对原始工业数据进行预处理，一般意义的数据预处理主要包 括误差处理和测量数据变换。 ( 3 ) 建立预测模型将经过预处理后的数据分为建模数据和校验数据两部 分，首先利用建模数据和各种建模方法建立预测模型，再利用校验数据检验该模 型，最后根据校验结果确定预测模型的建立方法和模型中的一些参数。 。 ( 4 ) 设计模型的校正模块由于现场生产的环境比较复杂，在进行预测建模 时，必须设计校正模块，使得不时地对模型进行校正，以便体现所建立的预测模 型的稳定性好，抗干扰能力强，即鲁棒性比较好。实践证明，没有校正模块的预 测模型适用范围比较窄，而且常出现大浮动的变化，阻碍预测模型对所预测参数 的顺利估计，因此设计预测模型时必须设计相应的校正模块，而且校正模块通常 分为短期校正模块和长期校正模块，通过长期与短期模块的结合能保证该模型的 适用范围广和测量精度的不断修正。 ( 5 ) 工业现场的装置上实现预测建模在实际的工业生产过程中，可将数据 采集和数据预处理模块、预测模型和校正模块以软件外挂的形式嵌入到分布式控 制系统中。 ( 6 ) 预测模型的评价将预测模型应用到实际生产过程中，通过现场采集或 化验室得到的模型输出变量的实际测量值和通过预测模型得到的估计值进行比 较，通过比较二者的误差从而可以评价该预测模型是否满足生产要求。如果不满 8 济南大学硕 学位论文 曼曼! 皇曼皇曼皇曼鼍曼皇笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼! 蔓! 曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼! i l l i i 鼍曼鼍曼曼曼曼舅曼皇曼皇曼鼍曼量皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼 足生产条件，则要分析预测建模失败的原因，通常从模型输入变量选择和建模方 法来出发，找到原因后再重新进行设计等。 ( 7 ) 预测模型的维护在实际使用过程中，由于多种工况的出现，模型的预 测精度通常会降低，也就是通常说的“模型老化 ，这主要是由于建模时样本的 不完备性导致的，在一般情况下也是很难避免的，为了使得预测模型具有良好的 精度，必须对模型进行维护。最常用的预测模型维护手段是在线校正技术，它能 在线对模型进行维护，但是只适用于工况变化不大的场合。目前对模型的维护方 法还比较少，也使得模型维护受到种种限制，有待进一步的研究。 2 3 预热器模型输入变量的选择 2 3 1 新型干法水泥生产工艺 新型干法水泥生产以悬浮预热和窑外分解技术为核心，采用新型原料、燃料 均化和节能粉磨技术及装备，全线采用计算机集散控制系统，实现水泥生产过程 自动化和高效、优质、低耗、环保的现代化水泥生产方法。新型干法水泥生产与 传统的湿法生产相比有如下特点：将原来在窑内以堆积状态进行生料预热和部分 碳酸盐分解过程，转移到悬浮预热器和分解炉中进行，使窑尾生料分解率从悬浮 预热窑的3 0 4 0 提高到8 5 一9 5 左右，减轻了窑内烧成带的热负荷，稳定了 窑的热工强度，显著提高了窑单位容积产量，同时也便于回收和利用窑尾废气余 热。该技术优点：传热迅速，热效率高，单位容积较湿法水泥产量大，热耗低。 新型干法水泥生产如图2 1 所示，主要包括生料制备系统、熟料煅烧系统和 水泥制备系统三个部分。其中，生料制备系统主要包括原燃料破碎、原燃料预均 化、生料烘干及粉磨、生料均化及输送等环节；熟料煅烧系统主要包括窑外预热 和分解、窑内锻烧、窑头熟料冷却、窑尾废气处理及煤粉制备等环节；水泥制备 系统主要包括熟料的储存、水泥的粉磨、储存、包装等环节【2 4 l 。 9 新犁干法水泥乍产预热器分解率的软测最研究 生料制备 图2 1 水泥生产流程图 在水泥生产过程中，其基础是生料制备系统，核心是水泥的烧成系统，烧成 系统的状况决定了水泥的产量及水泥厂的正常运作情况。烧成系统如图2 2 所示， 主要由旋风悬浮预热器，分解炉，回转窑，篦冷机四部分组成。在烧成过程中， 生料依次通过预热器对生料进行预热，分解炉对物料进行分解，回转窑完成对物 料的分解与煅烧，篦冷机对物料